Forschung

Unter dem Dach von CENIDE forschen rund 400 Wissenschaftler*innen an Themen rund um die Nanotechnologie, von der Physik bis hin zur chemischen Katalyse oder Biomedizin.

Das einzigartige Forschungsgebäude Nano- EnergieTechnikZentrum (NETZ) ist ein Teil von CENIDE und verfügt u.a. über Syntheseanlagen für Nanomaterialien aus der Gasphase, laserbasierte Kolloidsynthese und einem High-Tech- Mikroskopiezentrum, das vom Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale (ICAN) betrieben wird.

Dynamische Prozesse in Festkörpern

Die Dynamik elementarer Anregungen in Festkörpern, an Oberflächen, in Nanopartikeln oder -strukturen wird in CENIDE mit höchster Zeitauflösung untersucht. Strukturelle Anregungen, Phasenübergänge, transientes Aufheizen und Abkühlen werden durch Elektronen- bzw. Röntgenbeugung und -spektroskopie mit einer Zeitauflösung von wenigen 100 Femtosekunden verfolgt. Dass dies auf Spitzenniveau betrieben wird, belegt der neue, seit 2016 von der DFG geförderte Sonderforschungsbereich SFB 1242 „Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne“ an der Fakultät für Physik: Die in fester Materie enthaltenen Atome und Elektronen lassen sich bekanntermaßen anregen und aus ihrem Grundzustand in einen Zustand höherer Energie überführen. Externe Stimuli wie Druck, Licht, elektrische Spannung führen zu Anregungen verschiedener Freiheitsgrade von Materie, die zum Beispiel vermittelt durch Stöße von Atomen und Elektronen wechselwirken. „Der SFB 1242 bündelt daher Erkenntnisse aus der Physik und Chemie mit dem Ziel, ein materialübergreifendes, mikroskopisches Verständnis solcher Nichtgleichgewichtszustände zu erarbeiten“, fasst Sprecher Prof. Uwe Bovensiepen zusammen.

Gasphasensynthese

Die Synthese von Nanopartikeln in der Gasphase ermöglicht die Herstellung von maßgeschneiderten Materialien in skalierbaren Verfahren. CENIDE untersucht Gasphasenprozesse umfassend und hat eine breite Expertise in grundlegenden Experimenten, EntwicklungDas einzigartige Forschungsgebäude Nano- EnergieTechnikZentrum (NETZ) ist ein Teil von CENIDE und verfügt u.a. über Syntheseanlagen für Nanomaterialien aus der Gasphase, laserbasierte Kolloidsynthese und einem High-Tech- Mikroskopiezentrum, das vom Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale (ICAN) betrieben wird. spezifischer Messtechnologie, Modellierung und Simulation sowie der der Synthese von Nanopartikel im anwendungsrelevanten Maßstab.

Die Sprayflammensynthese bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung funktionaler oxidischer Nanomaterialen mit komplexer Zusammensetzung. Im Vergleich zu bestehenden großtechnischen Gasphasenprozessen kann dadurch die Bandbreite an Materialien erheblich erweitert werden. Die tatsächliche industrielle Nutzung scheitert bisher aber an der Notwendigkeit, teure Ausgangsstoffe einzusetzen, und an einem unzureichenden grundlegenden Prozessverständnis. Diese Situation soll durch das neue DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1980 „Nanopartikelsynthese in Sprayflammen SpraySyn: Messung, Simulation, Prozesse“ überwunden werden, Sprecher ist der Leibniz-Preisträger Prof. Christof Schulz.

Magnetismus

Ob in der Krebstherapie, in Lautsprechern oder in Stoßdämpfern – magnetische Nanopartikel sind wahre Allrounder. Doch so verschiedene Anwendungen erfordern möglichst genau eingestellte Materialeigenschaften. Beim Magnetismus stehen bei CENIDE die Herstellung und die hochspezifische Charakterisierung neuer Materialien und Hybride von mikroskopischen bis zu makroskopischen Längenskalen sowie die Ab-initio-Modellierung im Fokus. Sowohl ultradünne metallische und oxidische Filme, Nanopartikel als auch molekulare Nanomagnete spielen als Bausteine für moderne Hybridsysteme, die ungewöhnliche Eigenschaften miteinander kombinieren, eine wichtige Rolle.

Forscher*innen um Prof. Heiko Wende untersuchen in dem durch die EU geförderten Projekt NU-MATHIMO „New Materials for High Moment Poles and Shields“ zusammen mit der Firma SEAGATE TECHNOLOGY IRELAND und Kooperationspartnern der Uppsala University (Schweden) neue Konzepte für die magnetische Speicherung von Informationen. Von entscheidender Bedeutung sind dabei die enge Zusammenarbeit der Wissenschaftler*innen in der experimentellen Grundlagenforschung an der UDE mit den Partnern der Uppsala University zur theoretischen Modellierung magnetischer Kopplungsphänomene, und die industrielle Realisierung der neuen Speicherkonzepte direkt am Standort der Festplattenherstellung von SEAGATE TECHNOLOGY. Im Rahmen dieses Projekts wurde die Verwendung sogenannter Seltener Erden in neuartigen Schichtsystemen aufgrund ihrer hohen magnetischen Momente erfolgreich getestet.

NanoBioMaterialien

Biomaterialien sind natürliche oder künstliche Substanzen in Kontakt mit biologischen Systemen. In CENIDE wird diese Interaktion an Materialien, Oberflächen, Partikeln und Makromolekülen untersucht. Der Forschungsschwerpunkt profitiert von den Expertisen in den Material- und Biowissenschaften (Kolloide, Makromoleküle, Proteine, Imaging) und den chemisch bzw. physikalisch ausgerichteten Wissenschaften (Synthese, Magnetismus, Photonik). Nutzbringend ist die ansehnliche Palette an Charakterisierungsmethoden der modernen instrumentellen Nanopartikel-Kolloidanalytik (AUZ, DLS, NTA, ADC, AFFF), kombiniert mit dem DFG-Gerätezentrum ICAN für Oberflächenanalytik von Festkörpermaterialien. Erfolgreich verlängert wurde beispielsweise der Sonderforschungsbereich SFB 1093 „Supramolekulare Chemie an Proteinen“, der von der DFG für weitere vier Jahre gefördert wird. Fünf CENIDE-Mitglieder sind als Leiter an dem Projekt beteiligt, in dem mit Methoden der supramolekularen Chemie gezielt Proteinfunktionen und biologische Fragestellungen adressiert werden. Interdisziplinär wird Hand in Hand gearbeitet: Zunächst werden in der Chemie neue Greifwerkzeuge für Eiweißmoleküle konstruiert. Mit ihrer Hilfe untersuchen die Biolog*innen dann biochemische Mechanismen. Die Mediziner*innen wiederum leiten daraus neue Ansatzpunkte zur Diagnose und Bekämpfung von Krankheiten ab.

NanoEnergieTechnik

Hierbei befasst sich CENIDE mit der Frage, wie Nanomaterialien für die Energietechnik, insbesondere bei der Energieumwandlung und -speicherung, ausgenutzt werden können. Dafür steht das hochmoderne Forschungsgebäude NETZ mit rund 4.000 qm Fläche zur Verfügung, einschließlich. Anlagen zur Gasphasenund Kolloidsynthese von Nanomaterialien im anwendungsrelevanten Maßstab. Wesentliche Anwendungsgebiete sind Thermoelektrik, Katalyse, Photovoltaik, Lithium-Ionen-Batterien und Lichtemitter (LEDs).
Nach Kund*innenwunsch maßgeschneiderte, in industriell relevanten Mengen produzierte Nanopartikel vertreibt seit Kurzem Dr.-Ing. Sebastian Hardt, der sein Start-up HSWmaterials GmbH 2017 aus dem NETZ ausgegründet hat. „Wenn etwas so gut läuft, muss man es kommerzialisieren, sonst macht es jemand anderes“, schildert Hardt seine Idee. Er nutzt die Partikelsyntheseanlage im NETZ noch immer regelmäßig für seine Vorversuche und kooperiert dort mit verschiedenen Arbeitsgruppen. Kommerziell produziert wird unterdessen in seiner Anlage außerhalb der UDE.